CN104393122A - 一种纳米图形底衬的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米图形底衬的制作方法包括以下步骤在衬底上沉积一层SiO2膜；在SiO2膜上涂布一层光刻胶；采用晶格光栅相干光刻的方法，光刻胶在激光照射下得到均匀分布的光掩膜图形阵列；采用湿法腐蚀将所述光掩膜图形阵列阵转移到SiO2膜上，所述湿法腐蚀使所述光掩膜图形的棱角平滑；采用湿法腐蚀在Al2O3层腐蚀所述光掩膜图形，在湿法腐蚀过程中延晶相进行刻蚀，所述光掩膜图形表面的Al2O3结构保持原晶格结构；去除SiO2膜，再进行湿法腐蚀，经过2-5次湿法腐蚀后得到多层面Al2O3锥形结构。本发明减少了外延的缺陷，提高内量子效率；同时有效的提高光萃取效率。
Description
技术领域
本发明涉及利用激光、扩束镜、光栅的原理在衬底上成像的技术领域，尤其涉及一种纳米图形底衬的制作方法。
背景技术
提高器件的内量子效率和光萃取效率是一直困扰着本领域技术人员的一个问题，而影响内量子效率和光萃取效率的主要因素是衬底和外延层的晶格失配。
而现有的图形化衬底PSS制作方式中，采用分布投影光刻机和缩小光刻板图形转换制作光刻板图形，再使用5:1的缩小比例将光刻板图形转移到光刻胶上。上述转移过程因涉及到拼接和Defocus（散焦现象），因此对光刻机的要求极高，导致成本高产能低，而且使图形的大小受到限制，图形的周期不小、图形不一致性。接着再通过ICP干法刻蚀或湿法刻蚀得到微米级图形衬底，其中干法刻蚀为使用物理化学方法得到图形，本身晶格在土星表面为非晶格结构，使外延生长后表面的缺陷较多；其中湿法腐蚀技术只能得到微米级图形衬底，而且边缘图形与内部图形差异较大，衬底表面积利用率低，器件的内量子效率和光提取效率尚有开发空间。但是现有湿法腐蚀技术只能得到微米级图形衬底，而且边缘图形与内部图形差异较大，衬底表面积利用率低，器件的内量子效率和光提取效率尚有开发空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米图形底衬的制作方法，该方法制作的纳米级图形具有周期小、图形一致性好的优点，从而提高器件内量子效率，有效的提高光萃取效率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种纳米图形底衬的制作方法包括以下步骤：
S10、在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2膜；
S20、在所述SiO2膜上涂布一层光刻胶；
S30、采用晶格光栅相干光刻的方法，让激光照射在所述光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形阵列；
S40、利用湿法腐蚀，将所述光掩膜图形阵列转移到SiO2膜上，湿法腐蚀使所述光掩膜图形阵列的棱角平滑，得到SiO2图形阵列；
S50、去除SiO2膜，采用湿法腐蚀，将所述SiO2图形阵列转移到所述蓝宝石衬底上面；所述SiO2图形阵列在腐蚀过程中延晶相进行刻蚀，得到Al2O3图形阵列，所述Al2O3图形表面的Al2O3结构保持原晶格结构。
优选方式为，还包括步骤S55、在所述蓝宝石衬底上面再次进行湿法腐蚀，经过1-5次湿法腐蚀后得到多层面Al2O3锥形结构。
优选方式为，所述步骤S55中，湿法腐蚀的腐蚀溶液，使用98%以上的浓H2SO4和85%以上的浓H3PO4，质量混合比例为H2SO4：H3PO4 在4：1到1：4范围内，相邻两次的腐蚀温度差为±30℃，腐蚀时间为10-500S。
优选方式为，所述步骤S50中，湿法腐蚀的腐蚀溶液使用95%以上的浓硫酸和80%以上的浓磷酸混合液，质量比为H2SO4：H3PO4 在5：1到1：5范围内，温度控制在200—300℃，腐蚀时间在2-50min。
优选方式为，另一种纳米图形底衬的制作方法，包括以下步骤：
S10、在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2膜；
S20、在所述SiO2膜上涂布一层光刻胶；
S30、采用晶格光栅相干光刻的方法，让激光照射在所述光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形阵列；
S40、利用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述光掩膜图形阵列转移到SiO2膜上，得到SiO2图形阵列；
S50、去除SiO2膜，采用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述SiO2图形阵列转移到所述蓝宝石衬底上面，得到Al2O3图形阵列。
优选方式为，所述激光射线的波长在1-190nm或191-2000nm内。
优选方式为，所述SiO2膜的厚度为10-10000nm。
优选方式为，所述光刻胶为正胶，所述光刻胶的厚度范围为50nm-4000nm。
优选方式为，所述步骤S30中的，所述光掩膜图形阵列为方形纳米阵列或圆形纳米阵列。
优选方式为，所述步骤S30中的所述光掩膜图形阵列为正六边行分布或正三角型分布。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于本发明所采用的纳米图形底衬的制作方法包括步骤：先采用晶格光栅相干光刻的方法，即让激光照射在光刻胶上，得到均匀分布的光刻胶掩膜图形阵列；然后通过湿法腐蚀或ICP等离子干法蚀刻的方法，将光刻胶掩膜图形阵列转移到SiO2膜上，得到SiO2图形阵列，除去SiO2膜，再然后通过湿法腐蚀或ICP等离子干法蚀刻的方法，将SiO2图形阵列转移到蓝宝石衬底上面，得到Al2O3图形阵列；再接着在蓝宝石衬底上面进行ICP等离子干法蚀刻，得到纳米级Al2O3图形阵列。由于本领域技术人员对现有的图形化衬底PSS-图形化蓝宝石衬底进行研究，得知采用本发明的方法制作的图形化蓝宝石衬底的均匀分布的图形，有利于GaN 外延层中的应力弛豫，并且能抑制外延材料生长过程中向上延升的位错密度，从而使器件的内量子效率能够得到提高。同时图形化衬底PSS能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射，从而使器件的光萃取效率得到提高。同时本发明制作出纳米级图形阵列，并且图形阵列尺寸小、周期1nm到10μm，因此表面积大使外延后出光效率增加。
由于采用湿法腐蚀的制作方法还包括步骤S55、在所述蓝宝石衬底上面再次进行湿法腐蚀，经过1-5次湿法腐蚀后得到多层面Al2O3锥形结构，使Al2O3图形阵列得多面都能够被利用，使光萃取效率得到进一步的提高。
由于所述激光射线的波长在1-190nm或191-2000nm内，可以得到周期1nm到10μm的光刻掩膜图形。
附图说明
图1是本发明的光刻胶掩膜图形的结构示意图；
图2是本发明的SiO2腐蚀后的图形的结构示意图；
图3是本发明的Al2O3腐蚀后的锥形结构的结构示意图；
图4是本发明的纳米图形底衬的制作方法中光栅光刻的流程图；
图中：1—Al2O3层、10—Al2O3图形、2—SiO2膜、20—SiO2图形、3—光刻胶掩膜图形、L10—激光器、L20—倍频器、L30—物镜、L40—光栅、L45—时间控制器、L50—遮光器、L60—反光镜、L70—光刻胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
一种纳米图形底衬的制作方法包括以下步骤：
如图1所示，在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2膜2，并且SiO2膜2的厚度为10-10000nm，优选厚度为：100-2000 nm，本实施例的蓝宝石衬底再图1中为Al2O3层1。
在SiO2膜2上涂布一层光刻胶，该光刻胶为正胶，该光刻胶的厚度范围为50nm-4000nm，优选厚度为：500-4000 nm。涂布的方式可选用旋涂、喷淋、挥发、低温蒸发等方法。
如图1和图4所示，本发明的制作方法包括晶格光栅相干光刻的方法，该方法让激光照射在光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形3阵列。本实施例的激光射线的波长在1-190nm内，或者激光射线的波长在191-500nm内。本发明晶格光栅相干光刻的方法得到的光掩膜图形3阵列为方形纳米阵列或圆形纳米阵列，该阵列形状可根据蓝宝石衬底的形状来形成不同形状的阵列。因本发明用具有特殊结构的材料作为光栅，在激光照射（包括电子束和射线）射线波长在1nm-500nm，激光照射在光刻胶上后，光刻胶性质发生变化。具体为：相干加强的部分光刻胶能够被显影掉，相干抵消的部分不能被显影液去掉，从而能够得到均匀分布的方形纳米点阵或圆形纳米点阵。
本发明的光栅光刻流程：激光器L10发出的射线先由倍频器L20放大其频率，即缩小了射线的波长将其调整在1nm-2000nm内；然后激光射线透过物镜L30得到校正后，进入光栅L40进行周期性的空间调制；接着激光射线在时间控制器L45的控制下经过遮光器L50来调节射线的强弱，最后一部分射线直接照射在光刻胶上，另一部分射线被反光镜L60反射到光刻胶L70上，该反射的射线与直接照射的射线进行相干加强或相干抵消，最终得到均匀分布的方形纳米点阵或圆形纳米点阵。根据光栅的不同结构可制作周期和分布不同的衬底，衬底可为正六边行分布，正三角型分布，本实施例为正方形分布。
如图2所示，利用湿法腐蚀，将光刻胶掩膜图形3阵列转移到SiO2膜2上，SiO2湿法腐蚀的特性，尖角处腐蚀速率比平滑处腐蚀速率快，致使光掩膜图形3棱角会被腐蚀平滑，得到尖角平滑的SiO2图形20阵列。
如图3所示，去除SiO2膜，采用湿法腐蚀，将SiO2图形20阵列转移到蓝宝石衬底上面； SiO2图形20阵列在湿法腐蚀过程中延晶相进行刻蚀得到Al2O3图形10阵列，Al2O3图形10表面的Al2O3结构保持原晶格结构；本步骤中湿法腐蚀的腐蚀溶液，使用95%以上的浓硫酸和80%以上的浓磷酸混合液，质量比为H2SO4：H3PO4 在5：1到1：5范围内，温度控制在200—300℃，腐蚀时间在10-50min。本发明得到的Al2O3图形10周期在10nm到10μm之间，表面积大，使外延后出光效率增加。
采用一次湿法腐蚀后，得到的Al2O3图形10面少；那么再在蓝宝石衬底上进行2-5次的湿法腐蚀，得到多层面Al2O3锥形结构，该多层面Al2O3锥形结构的进一步的提高了光萃取效率。并且再次进行的湿法腐蚀的腐蚀溶液，使用98%以上的浓H2SO4和85%以上的浓H3PO4，质量混合比例为H2SO4：H3PO4 在4：1到1：4范围内，相邻两次的腐蚀温度差为±30℃，腐蚀时间为10-500S。
综上所述，本发明所使用的光栅光刻的方法得到纳米级图形，具有周期小、图形一致性好的优点。通过湿法腐蚀的得到纳米级图形，该方法得到的湿法图形衬底，具有成本低，光型一致性高，衬底利用率高，良率高的特点将会成为未来的趋势。相对于现有的图形技术，同尺寸衬底的面积利用率可提高30%，光效率提高10%以上。而且本发明的纳米级的图形化界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，减少外延的各种缺陷，提高内量子效率；同时纳米级的图形在GaN和蓝宝石界面 能反射从GaN有源区发射出的光子，使得原本全反射的光子有机会发射到器件外部，有效的提高光萃取效率。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：得到光刻胶掩膜图形3阵列后，采用的步骤为：
采用晶格光栅相干光刻的方法，让激光照射在所述光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形阵列；
利用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述光掩膜图形阵列转移到SiO2膜2上，得到SiO2图形20阵列；
去除SiO2膜2，采用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述SiO2图形20阵列转移到蓝宝石衬底上面，得到Al2O3图形10阵列。
采用本实施例的ICP等离子干法蚀刻的方法也可得到Al2O3图形10阵列。
以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种纳米图形底衬的制作方法体结构的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2膜；
S20、在所述SiO2膜上涂布一层光刻胶；
S30、采用晶格光栅相干光刻的方法，让激光照射在所述光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形阵列；
S40、利用湿法腐蚀，将所述光掩膜图形阵列转移到SiO2膜上，湿法腐蚀使所述光掩膜图形阵列的棱角平滑，得到SiO2图形阵列；
S50、去除SiO2膜，采用湿法腐蚀，将所述SiO2图形阵列转移到所述蓝宝石衬底上面；所述SiO2图形阵列在腐蚀过程中延晶相进行刻蚀，得到Al2O3图形阵列，所述Al2O3图形表面的Al2O3结构保持原晶格结构。
2.根据权利要求1所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，还包括步骤S55、在所述蓝宝石衬底上面再次进行湿法腐蚀，经过1-5次湿法腐蚀后得到多层面Al2O3锥形结构。
3.根据权利要求2所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述步骤S55中，湿法腐蚀的腐蚀溶液，使用98%以上的浓H2SO4和85%以上的浓H3PO4，质量混合比例为H2SO4：H3PO4 在4：1到1：4范围内，相邻两次的腐蚀温度差为±30℃，腐蚀时间为10-500S。
4.根据权利要求2所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述步骤S50中，湿法腐蚀的腐蚀溶液使用95%以上的浓硫酸和80%以上的浓磷酸混合液，质量比为H2SO4：H3PO4 在5：1到1：5范围内，温度控制在200—300℃，腐蚀时间在2-50min。
5.一种纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2膜；
S20、在所述SiO2膜上涂布一层光刻胶；
S30、采用晶格光栅相干光刻的方法，让激光照射在所述光刻胶上，得到均匀分布的光掩膜图形阵列；
S40、利用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述光掩膜图形阵列转移到SiO2膜上，得到SiO2图形阵列；
S50、去除SiO2膜，采用ICP等离子干法蚀刻的方法，将所述SiO2图形阵列转移到所述蓝宝石衬底上面，得到Al2O3图形阵列。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述激光射线的波长在1-190nm或191-2000nm内。
7.根据权利要求6所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述SiO2膜的厚度为10-10000nm。
8.根据权利要求8所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述光刻胶为正胶，所述光刻胶的厚度范围为50nm-4000nm。
9.根据权利要求8所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述步骤S30中的，所述光掩膜图形阵列为方形纳米阵列或圆形纳米阵列。
10.根据权利要求9所述的纳米图形底衬的制作方法，其特征在于，所述步骤S30中的所述光掩膜图形阵列为正六边行分布或正三角型分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 261031 Shandong city of Weifang province high tech Zone Yuqing Street north of Silver Maple Road West photoelectric Park third Yuqing 12401 East West accelerator Applicant after: Shandong Au Optronics Co Address before: 261031 Shandong city of Weifang province high tech Zone Yuqing Street north of Silver Maple Road West photoelectric Park third Yuqing 12401 East West accelerator Applicant before: "SHANDONG NOVOSHINE PHOTOELECTRIC CO., LTD." |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150304 |